柔性链接多域蛋白别构运动的多尺度理论模拟研究

Allostery is widely used by protein molecules in realizing a number of biological functions, including gene regulation, muscle contraction, substance transportation, etc. Previous studies on the allostery mechanism mostly focus on the multidomain proteins which have strong inter-domain interactions. However, there exists a large number of flexibly linked multidomain proteins, which usually play key roles in cell activity. Although such kind of proteins lack of obvious inter-domain interactions, they are able to show drastic allosteric behaviors and inter-domain cooperativity. However, the underlying molecular mechanism is unclear. In this project, firstly, we develop multiscale models for simulating the conformational dynamics of such flexibly linked multidomain proteins. Then we study the allosteric dynamics for two typical flexibly linked multidomain proteins, i.e., calmodulin and zinc-finger transcription factor, in binding to their downstream protein/DNA. We try to reveal the general principle of the inter-domain propagation mechanism of the allostery signal within such flexibly linked multidomain proteins, and discuss the physical mechanism of the inter-domain cooperativity. Through these works, we expect to have a deep understanding to the mechanism with which the calmodulin binds competitively to diverse target proteins, and selectively actives a number of different signal pathways. Meanwhile, we try to understand the regulation mechanism of the binding affinity and specificity in the DNA recognition of the zinc-finger transcription factor by the length and sequence feature of the linker regions. Such knowledge may provide references for modulating and controlling the biological processes through designed proteins.

“别构”是蛋白质分子实现基因调控、肌肉收缩、物质输运等生物学功能时普遍采用的构象运动形式。以往对别构机制的研究主要集中在强耦合多域蛋白。然而，生物体内存在一大类具有重要生物学功能的柔性链接多域蛋白。这类蛋白缺乏域间直接相互作用，但在识别靶蛋白/DNA时仍表现出显著的域间别构行为和协同性，其分子机制尚不清楚。本项目将发展描述柔性链接多域蛋白的多尺度模型，并对典型柔性链接多域蛋白(包括钙调蛋白和锌指蛋白转录因子)识别下游靶蛋白/DNA时的别构动力学进行分子模拟，揭示柔性链接多域蛋白别构信号在域间传播的一般规则，进而探讨域间协同性产生的微观物理机制。在此基础上，理解钙调蛋白选择性识别多个下游靶蛋白，激活不同信号通路的分子机理，以及锌指蛋白转录因子通过优化柔性链接区的长度和序列对域间构象运动以及与靶基因的亲和性进行调控的热力学和动力学机制，从而为通过人工设计蛋白调节和控制生物过程提供理论参考。

蛋白质分子是最重要的执行生物学功能的生物大分子。蛋白质分子在执行其生物学功能过程中，依赖于分子内、分子间的别构耦合，即一个特定位点配体分子结合或化学修饰会导致蛋白质结构和动力学的变化，从而调控其信号转导、催化等生物功能。特别是，蛋白质分子通常包含多个结构域，且结构域之间的链接较为柔性。研究这类多结构域蛋白的别构运动对理解其实现生物功能的分子机制至关重要。本项目通过构建相关的理论模型，针对几个典型的涉及多结构域蛋白别构耦合的动力学过程进行了系统研究，主要研究内容和结果总结如下：1）针对特定的蛋白质分子体系，构建了能够描述蛋白质分子别构耦合、蛋白质分子识别、以及别构酶单分子催化动力学的理论模型。相关理论模型通过粗粒化近似和多尺度参数优化，能够在确保合理精确度的前提下，高效率描述蛋白质分子的功能相关的长时间尺度动力学过程；2）针对典型的柔性链接多域蛋白分子calmodulin（钙调素），研究了其外源性靶分子识别过程的别构机制；3）研究了别构蛋白S100A12的配体结合与二聚化的耦合及其别构调控机制；4）研究了具有多结构域的别构酶AdK（腺苷酸激酶）催化循环中的别构耦合机制；5）探讨了p53，锌指蛋白以及缺氧诱导因子HIF-1A等转录因子与DNA／转录共激活因子相互作用中的别构耦合机制。相关结果对理解蛋白质分子行使功能的物理机制以及自然界酶实现高效率催化物理机制具有重要意义。本项目研究成果已在相关期刊上发表SCI论文11篇，其中1篇论文发表在Phys.Rev.Lett.(2019)，完成了计划研究目标。通过本项目研究，培养了博士后1名，硕士研究生2名，合作培养博士研究生3名。